行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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電腦化概念構圖在科學教育的應用
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC89－2520－S－003 －009－
執行期間：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
計畫主持人：張國恩 國立台灣師範大學資訊教育系
共同主持人：陳世旺 國立台灣師範大學資訊教育系
宋曜廷 國立台灣師範大學教育心理系
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣師範大學
中 華 民 國 89 年 9 月 30 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
電腦化概念構圖在科學教育的應用
The Application of Computer ized Concept Mapping to Science
Education
計畫編號：NSC 89-2511-S-003-068
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：張國恩 國立台灣師範大學資訊教育系
共同主持人：陳世旺 國立台灣師範大學資訊教育系
宋曜廷 國立台灣師範大學教育心理系
計畫參與人員：林水成 國立台灣師範大學資訊教育系
張瑞賓 國立台灣師範大學資訊教育系
摘 要 近幾年來，概念圖（concept maps）被 廣泛的應用在教育的訓練、教學、及學生 的評量上，且深受肯定。電腦化概念構圖 雖具有提供互動、修改容易和易於評量的 優點；但為方便評量，使得學生必須使用 由 專 家 事 先 定 義 好 的 概 念 與 聯 結 語 (relation-fixed)來建構概念圖，這樣的構圖 方式往往會影響學生反省思考的機會，且 無法真正反應出學生的學習狀態與學習成 績，因此本文提出使用「開放式聯結語」 (relation-free)的概念，讓學生能在概念圖的 聯結語裡表達出自己的想法，以增加學生 反省思考的機會和真實反應出學生的學習 狀態。此外亦為此兩種不同的知識表達方 式建立新的評量算則。經以高中的地球科 學為材料，實驗結果顯示，開放式與固定 式聯結語這兩種不同的構圖方式對促進高 成就學生的學習而言，其效果並不顯著； 但對低成就的學生而言，使用固定式聯結 語的構圖方式，則有顯著的差異，且能促 進學生的學習效果。另以概念圖模擬小學 的數學科之應用題解題歷程，以建立學生 模型的工作，則正在進行當中。 關 鍵 字 ： 概 念 圖 、 開 放 式 聯 結 語 、 固定式聯結語、電腦化概念構圖、知識結 構評量 Abstr act
In recent years, concept maps have widely been applied in education for training, instruction, as well as assessment. In the conventional concept mapping system, students construct their concept maps by
using the predefined concept nodes and relation links. The use of predefined concept nodes and relation links may reduce the chance of students to reflect by themselves. In this study, a computer-based concept mapping with relation-free is proposed. The system provides a mapping environment in which students can construct their concept maps by the use of their own relations and predefined concepts. Keeping students with freedom to use their own relations will increase the chance of students’ self-reflection and get more learning. The experimental results revealed that there was no significant differences in higher achievement group by using relation-fix or relation-free, but it showed significant differences in lower achievement group and could promote students’ learning achievement by using relation-fixed.
Key Words: concept maps, relation-free, relation-fix, computer-supported concept mapping
一 、 源 由 與 目 的
概 念 構 圖 (concept mapping)是 由 N o v a k 在 1 9 7 1 年 左 右 提 出 ， 它 融 合 了 知 識 表 達 ( k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ) ( A n d e r s o n , 1 9 9 5 )、 建 構 式 學 習 (cons t ruct i ve l e arn i n g) ( D u ff y, Lo w yc k , & J o n a s s e n , 1 9 9 1 ) 、 和 有 意 義 的 學 習 ( m e a n i n g f u l l e a r n i n g ) ( N o v a k , 1 9 9 0 , 1 9 9 1 )。現 在 它 已 被 廣 泛 的 應 用
包含 不可以 可以 主記憶體 ROM 讀 寫 圖 1 概念圖之一例
在 科 學 教 育 (S chmi d & Tel a ro, 1 9 9 0 )、 課 程 設 計 ( E d m o n d s o n , 1 9 9 5 ; S t a r r & K r a j c i k , 1 9 9 0 ) 、 及 知 識 結 構 的 評 量 (Be ye rb ach & S m i t h, 1990; A n d e r s o n & C h i u , 1 9 8 9 ; G o l d s m i t h , J o h n s o n , & A c t i o n , 1 9 9 1 ; N o v a k & G o w i n , 1 9 8 4 ; H e r l , B a k e r & N i e m i , 1 9 9 6 ; R u i z - P r i m o & S h a v e l s o n , 1 9 9 6 ; Li n , C h e n , P a n & C h a n g, 1 9 9 8 ) 的 應 用 上 ， 深 受 研 究 者 的 肯 定 。 一 張 概 念 圖 是 由 許 多 命 題 所 組 成 ， 命 題 是 由 兩 個 概 念 中 間 加 上 一 個 聯 結 語 組 合 而 成 ， 且 概 念 與 概 念 間 具 有 上 下 的 階 層 關 係 ( h i e r a r c h i c a l r e l a t i o n s h i p ) ， 在 上 層 的 概 念 具 有 一 般 性 與 概 括 性 ， 而 較 特 定 及 具 體 的 概 念 則 排 在 下 層 。 例 如 在 描 述 「 主 記 憶 體 包 含 R OM ， R O M 可 以 讀 ， 不 可 以 寫 」 這 樣 的 描 述 時，其 概 念 圖 可 繪 成 如 圖 1 所 示 ， 其 中 我 們 可 以 看 出 在 上 層 的 概 念 “ 主 記 憶 體 ” 是 屬 於 概 括 性 的 概 念 ， 而 在 下 層 的 概 念 “ 讀 ” 與 “ 寫 ” 則 屬 於 較 具 體 的 概 念 。 因 此 一 張 概 念 圖 是 描 述 某 一 知 識 主 題 中 ， 概 念 與 概 念 間 的 連 結 關 係 ， 且 從 概 念 圖 中 可 得 知 構 圖 者 的 觀 念 及 想 法 ( R o t h & R o yc h o u d h u r y, 1 9 9 2 )， 可 以 作 為 評 量 構 圖 者 知 識 結 構 的 依 據（ Novak & G ow i n, 19 84）。 電 腦 化 概 念 構 圖 的 出 現 ， 解 決 了 以 人 工 建 構 概 念 圖 所 產 生 的 不 便 與 缺 點 ， 如 ： 缺 乏 師 生 的 互 動 與 回 饋 、 不 易 實 施 、 不 易 修 改 及 不 易 評 量 等 (Chang , Chen , & Sung, 2000 )。 然 而 已 發 展 的 電 腦 化 構 圖 系 統 為 了 評 量 方 便 起 見 ， 專 家 事 先 將 所 有 已 知 的 概 念 與 聯 結 語 定 義 在 系 統 中 ， 來 讓 學 生 從 中 選 擇 以 構 圖 之 。 這 種 使 學 生 必 須 使 用 事 先 定 義 好 的 概 念 與 聯 結 語 來 建 構 概 念 圖 的 方 式 ， 可 能 無 法 讓 學 生 完 全 將 自 己 的 想 法 以 概 念 圖 表 達 出 來 。 況 且 我 們 知 道 ， 學 生 與 專 家 的 思 考 方 式 是 有 所 差 異 的 ( H e r l , B a k e r & N i e m i , 1 9 9 6 ; M a r k h a m , M i n t z e s , & J o n e s , 1 9 9 4 ) ， 有 的 學 生 會 以 由 上 到 下 （ t op-down ） 或 是 由 下 到 上 （ bottom-up） 的 方 式 來 思 考 他 的 命 題 並 建 構 概 念 圖（Lambiotte, Dansereau, C r o s s , & R e yn o l d s , 1 9 8 9 ），有 的 則 是 以 和 專 家 相 類 似 的 概 念 來 表 達 。 由 於 學 生 對 知 識 的 建 立 有 不 同 的 思 考 及 建 構 方 式 ， 如 果 限 制 學 生 使 用 事 先 定 義 好 的 概 念 及 聯 結 語 ， 除 了 會 影 響 學 生 對 自 我 表 達 與 認 知 反 省 的 機 會 外 (J onassen, R eeves, Hon g, H a r v e y, & P e t e r s , 1 9 9 7 )， 亦 造 成 學 生 構 圖 時 的 困 擾 。 顯 然 ， 過 去 電 腦 化 概 念 構 圖 的 方 式 ， 無 法 讓 學 生 完 全 表 達 自 我 的 概 念 ， 確 實 有 其 不 周 延 的 地 方 。 有 學 者 指 出 ， 使 用 聯 結 語 去 鏈 結 概 念 與 概 念 間 的 關 係 以 成 為 一 個 完 整 命 題 的 過 程 ， 是 構 圖 過 程 中 最 困 難 及 最 重 要 的 步 驟 （ Lem ke, 1989; J on ass en, 19 96 ）。我
們 假 設 : 學 生 若 能 以 自 己 的 思 考 方 式 表 達 概 念 間 的 聯 結 關 係 時 ， 對 於 學 生 自 我 知 識 的 建 立 ， 將 有 很 大 的 幫 助 。 R ot h & Ro ychoudhu r y(1992) 也 提 出 利 用 專 家 事 先 定 義 好 的 概 念 作 引 導 以 建 立 概 念 圖 ， 對 學 生 專 注 於 知 識 主 題 上 也 有 所 助 益 。 在 上 述 概 念 的 基 礎 上 ， 我 們 設 計 了 電 腦 化 概 念 構 圖 環 境 ， 它 可 以 讓 學 生 用 自 己 的 聯 結 語 去 鏈 結 概 念 與 概 念 間 的 關 係 ， 使 它 成 為 一 個 完 整 的 命 題 。 同 時 ， 此 構 圖 環 境 依 然 保 留 專 家 事 先 定 義 好 的 概 念 ， 這 樣 的 構 圖 方 式 ， 我 們 稱 之 為 「 開 放 式 聯 結 語 」 ( r e l a t i o n - f r e e ) 的 構 圖 方 式 ， 而 過 去 學 生 必 須 使 用 專 家 事 先 定 義 好 的 概 念 與 聯 結 語 來 建 構 概 念 圖 的 方 式 ， 則 稱 之 為 「 固 定 式 聯 結 語 」 ( r e l a t i o n - f i x e d ) 的 構 圖 方 式 。 二 、 結 果 與 討 論 本 研 究 想 了 解 在 電 腦 化 概 念 構 圖 環 境 中 ， 開 放 式 或 固 定 式 聯 結 語 的 構 圖 形 式 在 評 量 的 方 式 有 何 特 色 ？ 對 使 用 者 的 回 饋 機 制 又 有 何 差 別 ？ 此 外 ， 對 促 進 學 生 學 習 成 效 為 何 ？ 本 研 究 除 提 出 兩 種 新 的 評 量 算 則 外 （ C * i n d ex 與 S in d ex）， 並 以 高 中 的 地 球 科 學 材 料 為 內 容 ， 檢 驗 不 同 的 評 量 和 回 饋 方 式 對 學 習 效 果 的 影 響 。 實驗結果顯示，開放式與固定 式聯結語這兩種不同的構圖方式對促進高 成就學生的學習而言，其效果並不顯著； 但對低成就的學生而言，使用固定式聯結 語的構圖方式，則有顯著的差異，且能促 進學生的學習效果。此 外，亦 以 小 學 四 和 五 年 級 的 數 學 應 用 題 為 材 料 ， 探 討 新 的 評 量 和 回 饋 方 法 ， 在 建 立 數 學 解 題 之 學 生 模 型 的 可 行 性 。 此 舉 也 期 望 將 概 念 構 圖 的 應 用 領 域 ， 從 傳 統 的 陳 述 性 知 識 擴 充 到 程 序 性 知 識 。 此 部 分 的 成 果 尚 在 進 行 中 。 詳 細 研 究 成 果 請 參 考 下 列 已 發 表 之 研 究 文 獻，如 張 國 恩 等 (2000 )，S u n g et a l . ( 2 0 0 0 )。 參 考 文 獻 （ 本 研 究 小 組 近 年 來 關 於 概 念 構 圖 的 研 究 ， 暫 列 如 下 ） 張 國 恩 、 林 水 成 、 張 瑞 賓 、 陳 世 旺 ( 2 0 0 0 )： 使用開放式或固定式聯結語的電 腦化概念構圖對促進學生學習效果之研 究。2000 全球華人資訊與教育研討會，新 加坡, 2000 年六月。 宋德忠、陳淑芬、張國恩 (1998)：電腦化 概念構圖系統在知識結構測量的應 用。測驗年刊，45 輯 2 期，37-56 頁。 宋德忠、林世華、陳淑芬、張國恩 (1998)： 知識結構的測量：徑路搜尋法與概念構 圖法的比較。教育心理學報，30 卷 2 期，123-142 頁。
Chang, K. E., Lin, S. C., Chen, S. W., & H. M. Pan, (1998). “Fuzzy integration of attributed concept maps,“ ICCAI ‘98, pp.51-57.
Chang, K. E., Lin, S. C., Pan, H. M., & Chen, S. W. (1998). “Fuzzy assessment of attributed concept maps, “ Chinese Journal of Science Education（科學教育 學刊）, vol. 6, no. 1, pp. 81-94.
Chen, S. W., Lin, S. C. ,& Chang, K. E. (under re-review). Attributed Concept
Maps: Fuzzy Integration and Assessment, Paper under re-review for the IEEE Trans. on Fuzzy Systems.
Chang, K. E., Sung, Y. T., & Chen, S. F. (in press). Computerized concept mapping with scaffolding learning aid. Paper to appear in the Journal of Computer Assisted Learning. (SSCI)
Sung,T.C.( Y. T.), Chen, S. F.,& Chang, K.E. (1998). Concept mapping with
scaffolding learning. Paper presented in the sixth International Conference on Computers in Education. Oct. 14-17, Bejing, China.
Sung,Y.T.( T. C.), Chen, I. D.,& Chang, K.E. (2000). The effect of concept mapping to enhance text comprehension and
summarizing abilities: A scaffold-fading approach. Paper presented in the 2000 annual meeting of American Educational Research Association, April, 24-28, New Orleans. Sung, Y.T., Chen, I. D.,& Chang, K.E. (under review). The effect of
concept mapping to enhance text comprehension and summarization abilities: A comparison of the map-correction, scaffold-fading and self-generation approaches. Paper submitted to Contemporary Educational
